色譜法提取檸檬酸的除雜工藝優(yōu)化

滿 云，彭 鋼，陶惟一，郭東升，李秀娟，俞亞東，黃 和

(1. 南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，江蘇南京211800； 2. 江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210009； 3. 南京工業(yè)大學藥學院，江蘇南京211800)

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色譜法提取檸檬酸的除雜工藝優(yōu)化

滿 云1，彭 鋼1，陶惟一1，郭東升1，李秀娟1，俞亞東2，黃 和3

(1. 南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，江蘇南京211800； 2. 江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210009； 3. 南京工業(yè)大學藥學院，江蘇南京211800)

為了改進色譜法提取檸檬酸中的除雜工藝，采用顆?；钚蕴縂H-11與001×7陽離子交換樹脂對檸檬酸發(fā)酵液進行除雜預處理，比較兩種處理工藝(先脫色后脫陽離子、先脫陽離子后脫色)的效果。隨后對連續(xù)式離子分離(ISEP)系統(tǒng)的布管進行優(yōu)化。結果顯示：與先脫色后脫陽離子工藝相比，先脫陽離子后脫色工藝效果更佳，平均處理量提高7.2%，酸單耗、脫色單產(chǎn)廢水和脫陽離子單產(chǎn)廢水分別降低6.25%、35.3%和29.5%，在檸檬酸清液處理量由5 L增至80 L時，透光率平均提高2.5%，在相同處理量的情況下，清液純度由87.4%提高到88.9%。優(yōu)化布管后的ISEP系統(tǒng)通過延長系統(tǒng)停留時間，優(yōu)選進料流量，使得樹脂吸附量大幅提高，減少硫酸、液氨等輔料消耗，降低生產(chǎn)成本。同時，與原工藝相比，經(jīng)先脫陽離子后脫色和ISEP系統(tǒng)處理后，檸檬酸清液的易碳雜質(zhì)由5.0降低至3.0。

檸檬酸；色譜法；除雜；活性炭；離子交換樹脂

檸檬酸(citric acid，CA)在食品、醫(yī)藥化工、清洗、化妝品、有機材料等領域具有重要用途，是目前世界上需求量最大的一種有機酸。我國是檸檬酸生產(chǎn)大國，20世紀90年代初生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量達到最大。隨后經(jīng)過市場優(yōu)勝劣汰，檸檬酸企業(yè)數(shù)量逐步減少，但產(chǎn)能顯著增大。2014年以來，我國檸檬酸產(chǎn)能已嚴重過剩，出口量增長導致頻繁遭遇反傾銷，價格暴跌，同時生產(chǎn)原料價格居高不下，這些因素導致國內(nèi)大部分檸檬酸企業(yè)進入虧損狀態(tài)。在此背景下，唯有不斷開發(fā)檸檬酸的應用領域，擴大內(nèi)需市場，同時不斷改進生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本，才是切實可行的脫困之道?，F(xiàn)今我國檸檬酸生產(chǎn)廠家采用的提取工藝仍以傳統(tǒng)鈣鹽法為主[1-4]。鈣鹽法收率低、能耗和料耗大，同時產(chǎn)生大量廢水、廢渣。這些缺點嚴重制約了我國檸檬酸行業(yè)的持續(xù)發(fā)展[5]。開發(fā)高效、低污染的檸檬酸分離提取技術有助于降低生產(chǎn)成本和保護環(huán)境，是檸檬酸行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要條件之一。

相對于傳統(tǒng)的鈣鹽法，色譜法提取檸檬酸具有綠色環(huán)保等優(yōu)點，目前色譜法在檸檬酸行業(yè)的應用日益增多[1,6-7]。然而，除檸檬酸外，檸檬酸發(fā)酵液中還包括殘?zhí)恰⒕w、蛋白質(zhì)、色素、膠體、無機鹽、有機雜酸等多種雜質(zhì)[8]。這些雜質(zhì)極大影響色譜法提取檸檬酸后續(xù)的分離提取和精制，因此，開發(fā)高效的除雜和分離技術對于色譜法提取檸檬酸至關重要。近幾年，檸檬酸生產(chǎn)工藝后期的除雜和分離主要采用離子交換和色譜分離技術。對交換吸附分離工藝目前已有較多研究，例如張洪勛等[9]提出了先使用陰離子交換樹脂從發(fā)酵液中直接吸附檸檬酸，最終的檸檬酸收率可達98%上。高年發(fā)等[10]提出采用吸附交換容量大和抗污染性能強的弱堿性陰離子吸附交換樹脂進行堿性解吸，同時通過改變吸附交換柱中壓力，使樹脂抖動從而省去“再生”過程的吸附交換分離工藝。

20世紀80年代，美國先進分離技術公司開發(fā)的連續(xù)式離子分離(ionic separation，ISEP)系統(tǒng)，極大推動了離子交換技術的發(fā)展。ISEP系統(tǒng)可用于分離、精制和回收溶液中的特定物質(zhì)，具有高效、低耗、無外加污染等特點，目前該系統(tǒng)已廣泛應用于抗生素、維生素、甜菜堿等產(chǎn)品的提取精制。在發(fā)酵有機酸方面，與傳統(tǒng)的固定床、模擬移動床等工藝相比，ISEP系統(tǒng)可直接接納全部發(fā)酵醪液，不需過濾器，減少了資金成本、占地面積和工藝成本，因此，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)開始采用該系統(tǒng)[11]。上述研究為檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)后續(xù)的除雜分離提供新的思路，然而這些研究大多停留在實驗室水平，目前還未見適用于大規(guī)模工業(yè)化色譜法提取檸檬酸的除雜和分離工藝。

鑒于此，本文中，筆者首先對比分析了先脫色后脫陽離子(脫色-脫陽離子)和先脫陽離子后脫色(脫陽離子-脫色)兩種檸檬酸發(fā)酵液除雜工藝，通過比較處理效果及生產(chǎn)成本，確定最佳的除雜工藝；再優(yōu)化連續(xù)式離子分離(ISEP)色譜系統(tǒng)中各個區(qū)域的流速，獲得最佳色譜分離工藝，以期獲得的研究結果來推動在工業(yè)化水平對檸檬酸發(fā)酵液除雜分離，有助于檸檬酸生產(chǎn)水平的提高。

1 材料與方法

1.1 主要儀器

BT60-600M型蠕動泵，保定蘭格恒流泵有限公司；HB43-S型鹵素水分測定儀，梅特勒-托利多國際股份有限公司；723型紫外-可見分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司；Agilent1200型液相色譜分析儀，美國安捷倫公司；SOLAAR原子吸收分析儀，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；色譜分離系統(tǒng)(L100-139，20根柱，柱規(guī)格Φ35 mm×1 000 mm，聚四氟乙烯材質(zhì))，美國CALGAN CARBON公司生產(chǎn)。

1.2 主要原料與試劑

檸檬酸清液、工業(yè)級液堿與鹽酸均由安徽豐原生物化學股份有限公司檸檬酸廠提供；GH-11顆粒活性炭購自北京光華晶科活性炭有限公司；001×7陽離子交換樹脂與SQD815樹脂均購自江蘇蘇青水處理工程集團有限公司。

1.3 主要試驗方法

1.3.1 除雜試驗

活性炭柱與陽離子交換柱預處理：顆粒活性炭與陽離子交換樹脂洗凈后離心分離并裝柱。對活性炭柱、陽離子交換柱進行HCl和NaOH浸泡活化處理，最后用自來水分別洗至pH 8～9和pH 4～5備用。

料液處理：將檸檬酸清液按1.5 BV(樹脂床層體積)流速通入活性炭柱(40～50 ℃保溫)→陽離子交換柱或陽離子交換柱→活性炭柱(保溫40～50 ℃)進行處理。當流出液pH<3時開始收集料液。控制指標為脫色液透光率≥80%，脫色離交液Fe3+濃度≤1.0×10-6mol/L。

飽和活性炭柱再生：飽和活性炭柱與備用活性炭柱串聯(lián)，熱水沖洗收集脫色液。再將飽和活性炭柱斷開進行再生，繼續(xù)用熱水沖洗至活性炭柱出口pH≥2.6(滴定酸度<0.2%)；反進3.0 kg 40 g/L的熱堿后排出，隨后用4.2 kg熱堿循環(huán)4.0 h。隨后用水與稀酸將活性炭柱沖洗至pH 8～9備用；收集再生廢液，取樣檢測檸檬酸根(CA3-)、化學需氧量(COD)等。

陽離子交換柱飽和再生：飽和陽離子交換柱與備用陽離子交換柱串聯(lián)后，水沖洗收集脫離混合液。隨后將飽和陽離子交換柱斷開進行再生，繼續(xù)用水沖洗至出口pH≥2.6(滴定酸度<0.2%)；反進10.8 kg 4% (體積分數(shù))HCl并浸泡10 h后，水沖洗至流出液pH≥5備用，收集再生廢液，取樣檢測CA3-、COD等。分析兩種處理方式下，活性炭柱與陽離子交換柱的處理量、有效工作時間、再生時間、酸堿單耗、再生廢液量、收率等指標變化。

1.3.2 檸檬酸根、COD、透光率、純度的檢測

檸檬酸根液相檢測方法簡述如下：流動相組成為V(CH3CN)∶V(0.1% H3PO4)=3.5∶ 96.5；采用ODS色譜柱(4.6 mm×250 mm)，在流速0.6 mL/min、進樣量10 μL、溫度25 ℃下，用DAD檢測器(波長210 nm)檢測，分析時間25 min。采用外標法進行定量，檸檬酸標準溶液濃度在0.05%～0.5%線性關系良好，廢水樣品經(jīng)濾紙過濾后，根據(jù)濃度高低進行稀釋檢測。

采用文獻[12]中的方法測定COD，按照式(1)計算CODCr。

(1)

式中：c為硫酸亞鐵標準溶液的濃度(mol/L)；V0為滴定空白時硫酸亞鐵銨標準溶液用量(mL)；V1為滴定水樣時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量(mL)。

透光率的測定參照文獻[13]中的方法，簡述如下：10 mL待測樣品中添加1 mL質(zhì)量分數(shù)40%氯化亞錫鹽酸溶液，搖勻待測；以蒸餾水做參比，在405 nm波長處校準透光率為100%，取待測樣品放入比色皿中，記錄儀器所顯示數(shù)值。

檸檬酸純度的檢測：采用前述檸檬酸根的液相檢測方法，清液樣品經(jīng)濾紙過濾后，根據(jù)濃度高低進行稀釋進樣，圖譜按面積歸一法計算。檸檬酸的峰面積占總面積的百分比即為檸檬酸純度。

1.3.3 分離試驗

檸檬酸復濾液經(jīng)先脫除陽離子后脫色的除雜工藝處理后，進入ISEP色譜系統(tǒng)，通過改變各個區(qū)域的流速，考察洗脫液含量、易碳雜質(zhì)、樹脂吸附量、收率及濃硫酸、氨、水的消耗等。

2 結果與討論

2.1 檸檬酸清液兩種除雜工藝處理效果分析

對檸檬酸清液進行兩種除雜工藝(脫色-脫陽離子工藝和脫陽離子-脫色工藝)處理，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果如表1～4所示。

2.1.1 處理量比較

從表1～4可以看出：與脫色-脫陽離子工藝相比，脫陽離子-脫色工藝能使活性炭柱處理量增大，平均處理量由8.62 g/g增加至9.24 g/g，平均處理量提高約7.2%。這可能是由于檸檬酸清液先離子交換后脫色處理過程中，一方面陽離子交換樹脂能吸附部分色素，另一方面先進行陽離子交換樹脂能預先去除鐵離子，避免了鐵離子對活性炭的污染，使得活性炭柱處理能力得以提高[14-18]。

2.1.2 酸堿單耗、單產(chǎn)廢水、廢液單排COD量比較

從表1～4可以看出，兩種工藝的酸單耗相同，然而脫陽離子-脫色工藝的堿單耗僅有0.096 t/t，較脫色-脫陽離子工藝降低6.25%。同時，與脫色-脫陽離子工藝相比，脫陽離子-脫色工藝的單產(chǎn)廢水和脫除陽離子單產(chǎn)廢水分別降低35.3%和29.5%。脫陽離子-脫色工藝脫色廢液COD比脫色-脫陽離子工藝大，說明其廢液污染程度高，此處理工藝效果好。

表1 脫色-脫陽離子工藝中活性炭(GH-11)試驗數(shù)據(jù)(均以干基計)

表2 脫色-脫陽離子工藝中陽離子交換樹脂(001×7)試驗數(shù)據(jù)(均以干基計)

表3 脫陽離子-脫色工藝中陽離子交換樹脂(001×7)試驗數(shù)據(jù)(均以干基計)

表4 脫陽離子-脫色工藝中活性炭試驗數(shù)據(jù)(均以干基計)

2.1.3 清液透光率比較

檸檬酸清液透光率分析結果如圖1所示，由圖1可見：與脫色-脫陽離子工藝相比，在相同處理量下，脫陽離子-脫色工藝能顯著提高處理后清液的透光率，在處理量由5 L增至80 L時，透光率平均提高2.5%，說明該工藝能提高檸檬酸產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 處理后的檸檬酸清液透光率變化Fig.1 Transmission rate change of the treated citric acid solution

2.1.4 檸檬酸清液純度分析

在相同處理量下，脫陽離子-脫色工藝與脫色-脫陽離子工藝處理后的檸檬酸清液純度進行分析，結果見表5。由表5可知：脫陽離子-脫色工藝與脫色-脫陽離子工藝處理后的檸檬酸清液純度分別為88.9%和87.4%，可見脫陽離子-脫色工藝有更好的除雜效果，為后續(xù)ISEP系統(tǒng)提供更優(yōu)質(zhì)的原料。

表5 兩種處理工藝對檸檬酸純度的影響

2.2 分離工藝優(yōu)化

根據(jù)前述檸檬酸清液除雜的研究結果，以脫陽離子-脫色工藝得到的除雜后清液為原料，進行色譜分離工藝優(yōu)化，根據(jù)研究經(jīng)驗和生產(chǎn)裝備的實際情況，本研究首先開展了單柱實驗，將SQD815樹脂轉變成氨型，分別以3、5和7 cm/min進料速度進行飽和吸附、2倍排空體積清水洗滌(2倍排空體積洗脫液回填)、完全解吸，檢測洗脫液濃度、易碳雜質(zhì)、透光率等數(shù)據(jù)見表6，并繪制出吸附曲線，見圖2。從圖2可以看出，進料流速在7 cm/min時，同一吸附流出液體積，流出液酸度小，即樹脂吸附量大。

圖2 不同流速單柱吸附曲線Fig.2 Single-column adsorption curves of different flow velocity

根據(jù)單柱試驗結果，選擇單柱進料流速7 cm/min進行放大，兼顧色譜柱壓力的考慮，選擇進料流速為3～4 m/h，同時調(diào)整回填區(qū)流速3 m/h、洗脫流速4～5 m/h、再生區(qū)流速5 m/h等進行色譜系統(tǒng)的布管和參數(shù)優(yōu)化。布管優(yōu)化前(圖3)后(圖4)各區(qū)域柱分布數(shù)變化如下：再生區(qū)(01—04)5根不變，洗脫區(qū)(05—10)6根不變，回填區(qū)(由11—14變成11—15)4根變5根，回填流速降低，回填量減少，產(chǎn)能提升，洗脫液質(zhì)量提高。吸附區(qū)(由15—20變成16—20)6根變5根，20號柱出來的水回用，節(jié)約用水，減少廢水量。根據(jù)單柱試驗數(shù)據(jù)并結合系統(tǒng)滿足實際生產(chǎn)要求，將ISEP系統(tǒng)駐留時間設定為1 200 s、進料透光率>80%、鐵離子濃度≤1.0×10-6mol/L；同時考察洗脫液含量、易碳雜質(zhì)、樹脂吸附量、收率及濃硫酸、氨水的消耗，結果見表6。

由表6可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)的各項指標為：洗脫液平均酸度33%、易碳雜質(zhì)3.0、透光率87%、樹脂平均吸附量0.35 t/t(以濕基計)、收率98.5%、硫酸單耗0.31 t/t、氨水單耗0.098 t/t。與優(yōu)化前系統(tǒng)的各項指標比較后發(fā)現(xiàn)：通過延長系統(tǒng)停留時間，優(yōu)選進料流量，樹脂的吸附量得以大幅提高，單位質(zhì)量樹脂在單位時間產(chǎn)量也有小幅提高，洗脫液質(zhì)量得以提高，生產(chǎn)上可降低母液返回率。同時硫酸、液氨等輔料消耗也有所降低，降低生產(chǎn)成本。

圖3 ISEP提取系統(tǒng)優(yōu)化前布管圖Fig.3 Piping diagram of the non-optimized ISEP extraction system

圖4 ISEP提取系統(tǒng)優(yōu)化后布管圖Fig.4 Piping diagram of the optimized ISEP extraction system

進料流速w(洗脫液)/%易碳雜質(zhì)透光率/%樹脂吸附量/(t·t-1)收率/%硫酸消耗量/(t·t-1)氨水消耗量/(t·t-1)優(yōu)化前320508500309650330105優(yōu)化后330308700359850310098

3 結論

1)采用顆粒活性炭GH-11與001×7陽離子交換樹脂對檸檬酸發(fā)酵液進行兩種除雜工藝處理。與先脫色后脫陽離子工藝相比，先脫陽離子后脫色工藝效果更佳，平均處理量提高7.2%，酸單耗、脫色單產(chǎn)廢水和脫陽離子單產(chǎn)廢水分別降低6.25%，35.3%和29.5%，在檸檬酸清液處理量由5 L增至80 L時，透光率平均提高2.5%。

2)通過對ISEP系統(tǒng)布管調(diào)整優(yōu)化，延長了系統(tǒng)停留時間，從而減少樹脂再生頻次，減緩樹脂活性基團的水解速度，延長樹脂的使用壽命，降低樹脂使用成本。優(yōu)化后的指標為：洗脫液平均酸度33%、易碳雜質(zhì)3.0、透光率87%、樹脂平均吸附量0.35 t/t(以濕基計)、收率98.5%、硫酸單耗0.31 t/t、氨水單耗0.098 t/t。

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(責任編輯 荀志金)

Optimizing chromatography extraction decontaminate impurities of citric acid

MAN Yun1,PENG Gang1,TAO Weiyi1,Guo Dongsheng1,LI Xiujuan1,YU Yadong2,HUANG He3

(1. College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China; 2. Jiangsu National Synergetic Innovation Center for Advanced Materials (SICAM),Nanjing 210009,China; 3.School of Pharmaceutical Sciences,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China)

In order to improve decontamination methods used in chromatographic citric acid extraction processes,a granular activated carbon GH-11 and a 001×7 cation exchange resin were used to pretreat and remove impurities from citric acid fermentation broth.The effects of two different treatment processes,decolorizing-decationizing and decationizing-decolorizing,were analyzed,whereby the piping distribution of the continuous ionic exchange (ISEP) extraction system was optimized.The results showed that,compared with the decolorizing-decationizing process,the decationizing-decolorizing process was better.This method increased 7.2% in average handling capacity,with concomitant 6.25%,35.3% and 29.5% decreases in acid consumption,decolorization wastewater and decationization wastewater compared to the decolorizing-decationizing process,respectively.When handling capacity was increased from 5 L to 80 L,the average transmission rate of the citric acid solution increased by 2.5%.The purity of the citric acid solution was increased from 87.4% to 88.9% without sacrificing throughput.By prolonging the system retention time and optimizing the feed flow rate,the adsorption capacity of the resin was increased and the consumption of auxiliary materials (e.g.,sulfuric acid,liquid ammonia) was reduced,which lowered production costs.In addition,the easily-carbonized impurities decreased from 5.0 to 3.0 when citric acid solution was treated by our decationizing-decolorizing process and ISEP extraction system.

citric acid; chromatography; decontaminate; activated carbon; ion exchange resin

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.03.006

2016-04-08

國家自然科學基金(21506096、21476111)；國家高技術研究發(fā)展計劃(2013AA020302)；江蘇省自然科學基金(BK20131405)；農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室開放課題(2015011)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程

滿 云(1976—)，女，安徽蚌埠人，博士研究生，研究方向：生物化工；黃 和(聯(lián)系人)，教授，E-mail:biotech@njtech.edu.cn

Q939.97

A

1672-3678(2017)03-0029-07